帶校正環(huán)的物鏡光學(xué)設(shè)計(jì)

陳新錦

摘要： 利用軟件Zemax設(shè)計(jì)一款可用于蓋玻片校正的顯微物鏡，該物鏡采用逆向光路設(shè)計(jì)，無(wú)限遠(yuǎn)校正系統(tǒng)，其放大倍數(shù)為40×，可見(jiàn)光波段，數(shù)值孔徑為0.6，校正的蓋玻片厚度范圍為0～1.5 mm，管鏡配合能滿足Ф20 mm視場(chǎng)。從鏡頭專利庫(kù)ZEBASE中選擇合適的鏡頭作為初始結(jié)構(gòu)，通過(guò)設(shè)定合理的優(yōu)化函數(shù)優(yōu)化該鏡頭，對(duì)最后的結(jié)果進(jìn)行成像指標(biāo)分析，該款物鏡能滿足使用要求。

關(guān)鍵詞： 光學(xué)設(shè)計(jì)； 蓋玻片校正； 無(wú)限遠(yuǎn)校正系統(tǒng)

中圖分類號(hào)： TH742 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A doi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2016.03.008

文章編號(hào)： 1005-5630（2016）03-0233-05

Abstract： A microscope objective is designed to correct the coverslip by Zemax. The objective is optimized to infinity-corrected system by using the method of inverted optical path with visible wave-band.This objective with numerical aperture of 0.6 and magnification of 40 times can meet the field of Ф20 mm with tube lens. The objective can satisfy the application with coverslip thickness variate from 0 mm to 1.5 mm. The appropriate initial structure can get from lens patents of ZEBASE. The system is optimized by setting reasonable optimization operand. It satisfies requirements.

Keywords： optical design； coverslip correct； infinity-corrected system

引 言

由于蓋玻片的制造誤差使其厚度不一，而高數(shù)值孔徑的顯微物鏡對(duì)蓋玻片厚度要求較高，因此導(dǎo)致成像質(zhì)量下降，對(duì)應(yīng)的性能下降數(shù)值[1]如表1所示。另外由于所觀察標(biāo)本覆蓋的蓋玻片厚度規(guī)格不同（例如應(yīng)用在工業(yè)觀察導(dǎo)電粒子時(shí)，玻璃蓋板厚度不均），就需要更換不同規(guī)格的物鏡使用，會(huì)造成客戶生產(chǎn)成本的增加和管理的混亂。所以基于上述的需求出發(fā)，本文設(shè)計(jì)一款帶校正環(huán)的物鏡，在物鏡的中部裝有環(huán)狀的調(diào)節(jié)環(huán)，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)環(huán)時(shí)，可調(diào)節(jié)物鏡內(nèi)透鏡組之間的距離，從而校正由蓋玻片厚度不標(biāo)準(zhǔn)引起的像差。

1 設(shè)計(jì)參數(shù)

四大品牌（Zeiss/Leica/Olympus/Nikon）對(duì)應(yīng)的物鏡參數(shù)如表2所示，綜合考慮客戶的需求和市場(chǎng)定位，設(shè)定此設(shè)計(jì)目標(biāo)為：數(shù)值孔徑為0.6，最大工作距離為3.3 mm，焦距為4.5 mm（與焦距為180 mm的管鏡配合），校正的蓋玻片厚度范圍為0～1.5 mm，滿足Ф20 mm視場(chǎng)。

2 光學(xué)設(shè)計(jì)

2.1 初始結(jié)構(gòu)的選擇

對(duì)于光學(xué)設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，最好最快的方法是直接從專利中選取一個(gè)適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)作為初始結(jié)構(gòu)[2]。選擇初始結(jié)構(gòu)的原則是數(shù)值孔徑和視場(chǎng)與設(shè)計(jì)的要求相當(dāng)[3]，通過(guò)對(duì)主要的參數(shù)指標(biāo)分析計(jì)算，然后從鏡頭專利庫(kù)ZEBASE中選擇一個(gè)NA=0.65的40倍鏡頭作為初始結(jié)構(gòu)。

2.2 設(shè)計(jì)思路

此物鏡屬于高倍物鏡，相對(duì)孔徑較大，那么在系統(tǒng)像差校正時(shí)困難較大，若在系統(tǒng)的前部放一齊明透鏡，則對(duì)軸上點(diǎn)不引進(jìn)像差，這樣大大減少了后面系統(tǒng)的孔徑角負(fù)擔(dān)，系統(tǒng)的殘余像差不大[4]。

為不失一般性，設(shè)前組為一彎月透鏡，如圖1所示，其玻璃折射率為n。

由以上關(guān)系式就可以求出所要求的前組結(jié)構(gòu)[5]。

不同于其它固定間隔的光學(xué)系統(tǒng)，此光學(xué)系統(tǒng)需要通過(guò)調(diào)節(jié)透鏡組之間的間隔來(lái)校正由蓋玻片厚度不標(biāo)準(zhǔn)引起的像差，所以在設(shè)計(jì)中要選定一透鏡組為動(dòng)組來(lái)平衡像差，并且需要控制該透鏡組前后的距離總和保持不變。該系統(tǒng)跟變焦系統(tǒng)類似，也是靠改變間隔來(lái)校正平衡像差，不同的是此系統(tǒng)的焦距不變。

為了便于像差校正，在顯微物鏡設(shè)計(jì)中按反向光路計(jì)算[6]。

2.3 優(yōu)化過(guò)程

顯微鏡物鏡屬于大孔徑、小視場(chǎng)的小像差系統(tǒng)，必須校正好球差、彗差和色差[3]。在優(yōu)化函數(shù)中設(shè)定合理的操作數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

（1） 因?yàn)橛卸鄠€(gè)結(jié)構(gòu)所以要設(shè)置多重結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，在多個(gè)結(jié)構(gòu)中有側(cè)重點(diǎn)，考慮到實(shí)際用途，在此設(shè)置1.1 mm厚的蓋玻片為主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)兼顧0和1.5 mm，為了讓曲線平滑，可以設(shè)置多個(gè)結(jié)構(gòu)，每個(gè)結(jié)構(gòu)之間變化較少。

（2） 選擇系統(tǒng)默認(rèn)的優(yōu)化函數(shù)，優(yōu)化參考值選擇像質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的均方根值，使用波像差及像質(zhì)指標(biāo)的零點(diǎn)在質(zhì)心。在選項(xiàng)中填寫合適的空氣間隔和玻璃約束條件進(jìn)行優(yōu)化。

（3） 用操作數(shù)EFFL控制主波長(zhǎng)的有效焦距為4.5 mm，用操作數(shù)RAID設(shè)定最后一面的入射角度來(lái)控制NA，用操作數(shù)TTHI控制距離。

（4） 將操作數(shù)STOP光闌面的位置設(shè)為變量進(jìn)行優(yōu)化。

（5） 用操作數(shù)LONA控制球差，用操作數(shù)TRAY控制彗差。

（6） 用操作數(shù)LACL和AXCL控制色差（在這里保留一定倍率色差和管鏡配合）。

（7） 從玻璃廠商OHARA的材料庫(kù)中選取合適的透鏡材料進(jìn)行優(yōu)化。